(PhysOrg.com) -- För nästan tre år sedan utförde ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ett experiment där lager av guld på bara nanometer (miljarddelar av en meter) tjocka värmdes upp på en plan silikonyta och fick sedan svalna. De såg förvånat när de särdrag som expanderade och förändrades på skärmen i deras elektronmikroskop, slutligen bosätta sig i cirklar omgivna av oregelbundna blåsor.

Cirklarna varierade i diameter upp till några miljondelar av en meter, och i mitten av varje var en perfekt torg. De mystiska mönstren påminde om ingenting så mycket som så kallade "främmande" grödor.

Tills nyligen förblev orsaken till dessa konstiga formationer ett mysterium. Nu har teoretiska insikter förklarat vad som händer, och resultaten har publicerats online av Fysiska granskningsbrev .

Ivrigt smältande legeringar

När två fasta ämnen kombineras i precis rätt proportioner, förändringar i kemisk bindning kan ge en legering som smälter vid en temperatur som är mycket lägre än den ena kan smälta av sig själv. En sådan legering kallas eutektisk, Grekiska för "bra smältning". Den eutektiska legeringen av guld och kisel - 81 procent guld och 19 procent kisel - är särskilt användbar vid bearbetning av nanoskala halvledare som nanotrådar, såväl som enhetssammankopplingar i integrerade kretsar; det blir flytande vid blygsamma 363˚ Celsius, mycket lägre än smältpunkten för antingen rent guld, 1064°C, eller rent kisel, 1414 ° C.

"Guld-kisel eutektisk vätska kan säkert löda ihop chipskikt eller bilda mikroskopiska ledande ledningar, genom att flöda in i kanaler i underlaget utan att bränna upp omgivningen, "säger Berkeley Labs Junqiao Wu." Det är särskilt intressant för bearbetning av nanoskala material och enheter. "Wu citerar exemplet med kisel -nanotrådar, som kan odlas från pärlor av eutektisk vätska som bildas från droppar av guld. Pärlorna katalyserar avsättningen av kisel från en kemisk ånga och åker på toppen av ständigt förlängande nanotrådsmorrhår.

Att förstå hur och varför detta händer har varit en utmaning. Även om eutektiska legeringar är väl studerade som fasta ämnen, det flytande tillståndet utgör fler hinder, som är särskilt formidabla i nanoskala på grund av kraftigt ökad ytspänning-samma ytkrafter som gör det svårt att bilda ultratunna filmer av vatten, till exempel, eftersom de drar vattnet i droppar. På mindre skalor ökar förhållandet mellan ytarea och bulk markant, och nanoskala strukturer har beskrivits som praktiskt taget "all yta".

Detta är villkoren som laget ledd av Wu, som är fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of California i Berkeley, gav sig i kast med att undersöka, genom att skapa de tunnaste möjliga filmerna av eutektiska guld-kisellegeringar. Forskarna gjorde det genom att börja med ett substrat av rent kisel, på vars plana yta ett extremt tunt barriärskikt (två nanometer tjockt) av kiseldioxid hade bildats. På denna yta lade de lager av rent guld, varierar tjockleken från ett försök till nästa mellan bara några få nanometer till en rejäl 300 nanometer. Kiseldioxidbarriären hindrade det rena kislet från att blandas med guldet.

Nästa steg var att värma upp det skiktade provet till 600˚C i flera minuter – inte tillräckligt varmt för att smälta guldet eller kislet men tillräckligt varmt för att få naturligt existerande hål i det tunna kiseldioxidlagret att förstoras till små svaga punkter, genom vilket rent kisel kunde komma i kontakt med det överliggande guldet. Vid den höga temperaturen, kiselatomer diffunderade snabbt ut ur substratet och in i guldet, bildar ett lager av eutektisk guld-kisellegering nästan samma tjocklek som det ursprungliga guldet och sprider sig i en praktiskt taget perfekt cirkel från det centrala hålet.

När den cirkulära skivan av eutektisk legering blev tillräckligt stor gick den plötsligt sönder, störs av den höga ytenergin hos den eutektiska guld-kiselvätskan. Skräpet drogs bokstavligen till kanterna på disken, hopar sig runt den för att lämna en central blottad zon av bar kiseldioxid.

I mitten av den blottade zonen, en perfekt kvadrat av guld och kisel återstod.

Kemi och kristallografi, inte utomjordingar

Forskarnas mest överraskande upptäckt var att ju tunnare det ursprungliga guldskiktet var, desto snabbare expanderade de eutektiska cirklarna. Reaktionshastigheten när guldskikten bara var 20 nanometer tjocka var mer än 20 gånger snabbare än när skikten var 300 nanometer tjocka. Och även om dimensionerna på guld- och kiselrutorna inuti de cirkulära blottade zonerna vid första anblicken verkade varierande, det fanns faktiskt ett strikt förhållande mellan kvadratens storlek och cirkelns storlek:cirkelns radie var alltid kvadratens längd upphöjd till 3/2.

Hur kom torgarna dit i första hand? De uppstod som svaga punkter som var källorna till de spridande eutektiska guld-kiselcirklarna; när den cirkulära eutektiken bröts fylldes rutorna med samma eutektikum, som förblev i centrum för de avkrävda zonerna. När de svalnade, guldet och kiselet inom rutorna separerade, lämnar skarpt definierade kanter som var rena kisel; mitten var mer grovt skisserade fyrkanter av rent guld.

Genom att skära igenom lagerkakan av kisel/kiseldioxid/guld och titta i sidled på strukturerna med ett elektronmikroskop, forskarna fann att ytkvadraterna var baserna för inverterade pyramider, som liknar tänder som penetrerar det tunna kiseldioxidskiktet och är inbäddade i kiselskivan. Rutorna var fyrkantiga, faktiskt, på grund av kiselets orientering:substratet hade skurits längs kristallplanet som definierade basen. De fyra triangulära sidorna av pyramiderna låg längs lågenergiplanen i kristallgittret och definierades av deras skärningspunkter.

Det som började som ett förbryllande fenomen som påminde om "The X Files, "om den är avsevärt mindre än den kosmiska, mysteriet med "skörcirklarna i nanoskala" gav så småningom efter för noggrann observation och teoretisk analys – trots de hinder som höga temperaturer utgör, nanoskala storlekar, instabilitet i det flytande tillståndet, och extremt snabba tidsskalor.

"Vi fann att reaktionshastigheten vid bildning av små guld-kisel eutektiska vätskor – och kanske i många andra eutektika också – domineras av tjockleken på de reagerande skikten, "säger Wu." Denna upptäckt kan ge nya vägar för konstruktion och bearbetning av nanoskala material. "